WO2005095926A2 - Luminescence optical method for authenticating products - Google Patents

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Publication number
WO2005095926A2
WO2005095926A2 PCT/EP2005/003522 EP2005003522W WO2005095926A2 WO 2005095926 A2 WO2005095926 A2 WO 2005095926A2 EP 2005003522 W EP2005003522 W EP 2005003522W WO 2005095926 A2 WO2005095926 A2 WO 2005095926A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
luminescence
decay time
marker
product
luminescent
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/003522
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German (de)
French (fr)
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WO2005095926A3 (en
Inventor
Otto S. Wolfbeis
Michaela Gruber
Petra Bastian
Original Assignee
Chromeon Gmbh
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2005095926A2 publication Critical patent/WO2005095926A2/en
Publication of WO2005095926A3 publication Critical patent/WO2005095926A3/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence

Definitions

  • the invention relates to a method for luminescence-optical authentication, wherein a product is provided with at least one luminescent marker and the authentication takes place by determining the decay time of the luminescence of the marker.
  • the authentication of products of all kinds is of considerable technical importance because products and goods can be marketed under false brand names, medical and technical devices can be operated with unauthorized products and reagents, and banknotes and credit cards can be counterfeited.
  • Authentication also aims at clearly identifying products from a certain manufacturer, as well as ensuring that only well-defined products are used in certain processes. This is a very extensive problem. It includes the use of original medical technology devices and components as well as the use of original spare parts for repairs.
  • a distinction is made between authentication with regard to a yes / no decision (e.g. the question of whether there is an authentic product or a counterfeit) and authentication with regard to product coding in the sense of an assignment (e.g. Quality characteristics, batch, production or expiry date, place of manufacture, material used, use in a measuring device only intended for this, the respective purpose).
  • Authenticating products of any kind using fluorescent labels has a number of advantages over others, e.g. B. electromagnetic methods.
  • this includes the fact that one can insert fluorescent markers that are not externally recognizable, but whose fluorescence can be detected with the aid of suitable measuring devices.
  • these markers can be very small, in almost any shape and can also be inserted directly into the material (e.g. plastic). The information contained in the markers is therefore not externally recognizable and therefore hardly falsifiable.
  • WO 2003/099039 describes phycobiliproteins that can be used to fluoresce-label bottled beer.
  • the X-ray fluorescence is used as a marking method, but it suffers from the disadvantage that a very complex and voluminous device has to be used for the detection.
  • WO 2003/080759 uses photochromic dyes in order to use color changes due to light. Fluorescent watermark images are proposed in PCT WO 2002/098670. These materials can also only be used if the material to be marked has neither strong self-fluorescence nor is it colored.
  • microtiter plates are marked by providing them with a light-sensitive compound.
  • PCT WO 2001/037207 describes fluorescent markers which provide an object with coding materials which differ in size, shape and fluorescent color. Again, what has been said about the background fluorescence applies.
  • WO 2001/031341 provides as a marking measure a microplate on or in which a chemical reaction between the components of the microplate and the components of the product can occur. In this case, a chemical reaction between the sample and the microplate or its components must occur and lead to a change in the optical properties.
  • PCT WO 2001/031590 provides the possibility of applying fluorescent images or characters to any product, which can be read out using an optical font reader (OCR).
  • OCR optical font reader
  • PCT WO 2000 / OS28631 provides for the use of lanthanide complexes as markers in the characterization of objects. Such markers have the advantage that they are themselves undyed and emit a fluorescence that is in the visible range when they are excited with UV light.
  • PCT WO 2000/079347 provides that a material that is detected by means of fluorescence is added to a toner that is used to produce documents.
  • PCT WO 1998/28320 provides, inter alia, that programmable functionalized and self-arranging fluorescence-labeled nucleic acids are used to bring about product authentication or counterfeit protection.
  • PCT WO 1997/42490 describes a method for detecting or indicating the relative proportions of key materials in products. The method is based on the interaction of these key components in products with an introduced material, the optical properties of which change with the concentration or quantity of these key products.
  • US Pat. No. 5,292,855 provides an ink which is marked with a near infrared fluorescent dye. It consists of sulfonated polyesters and polyester amides and can be applied to a number of articles for identification or authentication.
  • the method concerns - a new method for the optical marking of products, as well as markers, with the help of which this method can be carried out.
  • the products to be authenticated are marked with one or more fluorescent or phosphorescent dyes, the decay time of the fluorescence or phosphorescence is measured and used as information for identification or authentication of a product.
  • the decay times of the dyes can be modulated in two ways, namely either by varying the chemical structure or by adding a second substance which measurably and reproducibly changes the decay time of the fluorophore or phosphorus.
  • Products that are provided with marking strips or dots that contain such dyes or dye combinations can be clearly authenticated, coded or assigned by measuring the decay time.
  • the fluorescent dyes according to the invention have a decay time of at least 0.1 ns, the phosphorescent dyes have a decay time of more than 100 ns. The phosphorescent dyes are therefore also accessible to time-resolved measurement methods.
  • luminescence is used here in connection with all types of light emission, that is to say for fluorescence and phosphorescence.
  • fluorescence refers specifically to rapidly decaying luminescence, that is typically in the range between 0.1 and 50 ns.
  • phosphorescence refers to slowly decaying luminescence, typically in the range from 100 ns to 1 sec.
  • a characteristic is understood to be, for example, the decay time.
  • Further parameters of the luminescence are, for example, the absorption or emission maximum of the dyes used, and for example their relative luminescence intensity. Further parameters are mentioned in the following description.
  • F 0 stands for the intensity of the light source
  • for the molar decadal absorption coefficient
  • / for the irradiated length of the fluorescent marker
  • ⁇ f for the Quantum yield
  • k for a geometric constant.
  • F also depends on the sensitivity of the photodetector.
  • the fluorescence intensity is not an ideal measurement or authentication variable, since it depends on the concentration c of the fluorophore added as well as on other variables in the above equation.
  • l 0 and / mean the intensity of the luminescence at the time zero or t
  • k represents a substance-specific decay constant.
  • This decay function is shown graphically in FIG. 1.
  • the natural decay time ⁇ 0 is defined as the time in which the value l / e fell, i.e. to approximately 36.8% of the initial intensity l 0 .
  • the time ⁇ 0 can be determined using various methods that operate either in the time domain or in the frequency domain.
  • the decay time ⁇ 0 of the fluorescence and the phosphorescence is therefore a variable which, in contrast to the intensity, is independent of the concentration of the fluorophore or phosphorus. This gives you a measurement parameter that can be determined much more clearly than the luminescence intensity /, because it is independent of the marker concentration, the intensity of the light source, the sensitivity of the photodetector, but also of the fading phenomena that occur when the products are stored for a long time can.
  • the ease of imitation is also much more difficult for markers that are coded over the decay time than the imitation of an (possibly even visually recognizable) absorption or emission color.
  • ⁇ 0 represents a far better parameter for authentication.
  • the measurement of the luminescence can, however, be influenced or disturbed by background luminescence. Many materials have background luminescence with decay times in the range of 0.5 to 5 ns. According to the invention, this problem can be remedied by using luminescent dyes with a decay time which is significantly longer than that of the background luminescence.
  • the measurement (see Fig. 2) is done by determining the decay time only after a small delay phase (typically 5 - 100 ns) during which the background fluorescence has decayed sharply, while the phosphorescence is still emitting and therefore detectable becomes.
  • the measuring method can be refined by not only detecting the presence of the luminescence of the marker, but also determining its decay time precisely or meeting a specific requirement.
  • the luminophores (markers) used should have the following properties: * a luminescence measurable at room temperature,
  • Possible fluorescent markers are coumarins and other oxygen-heterocyclic fluorophores, fluoresceins and rhodamines, polycyclic aromatics and quinones derived therefrom, fluorophores which are used as light collectors, and nitrogen and sulfur-heterocyclic compounds, pyrido- and indolo-aromatics, indigo dyes, cyanine - And merocyanine dyes, benzindoles and their homologues, as well as acridines, benzacridines and benzacridones.
  • phosphorescent markers are metal salts, organic compounds, metal-ligand complexes, other organometallic compounds, but also more highly structured systems such.
  • the group of phosphors mainly includes:
  • RTP room temperature phosphorescence
  • metal salts organometallic compounds or metal-ligand complexes which have an RTP and which in this case is often so strong that it is not necessary to embed them in a glass-like melt.
  • metal salts of the type of CdS and EuP0 4 as well as preferably also phosphorescent derivatives of the ions of many metals, preferably of platinum, iridium, osmium, ruthenium, copper, silver or gold with different substituents or ligands, but also of semi-metals such as. B. of silicon or germanium.
  • Examples of this are bis (thiophene) platinum (II), the numerous dipyridyl complexes of the ions mentioned, and the complexes of metals and semimetals with porphyrins and phthalocyanines or with other cyclic ligands of the crown ether or coronand and podand type.
  • the complexes of the rare earth elements europium, terbium and dysprosium also provide phosphorescence that is clearly measurable even at room temperature.
  • Specific examples of this are the complexes of Eu (III), Dy (III) and Tb (III) with tetracyclines, 3-carboxy-4-quinolones and other complexing agents.
  • Non-luminescent, finely divided solids from the group of metals, semiconductors, salts, organic or inorganic polymers which are doped with one of the dyes mentioned under (1) to (3).
  • the markers can be used in various ways for coding or for producing coding materials (“tags”), which is set out below by way of example: (a) The marker is inserted directly into the product, e.g. B. by dissolving or dispersing in parts of the product, or in the entire product. The marking of plastic parts such as e.g. B. microtiter plates or products such. B. banknotes.
  • the marker is first placed in a solid support made of a polymer, which is then used for the actual coding of the product.
  • the carrier is usually designed as a strip or round surface and can then be attached to the (or in) the product in a form known per se.
  • the marking of textiles, packaging or disposable items serves as an example.
  • Authentication by measuring the decay time of the luminescence preferably, but not exclusively, serves the following purposes:
  • the decay time of a luminophore can also be changed in a targeted manner.
  • energy acceptors other dyes
  • the energy acceptor can be luminescent or non-luminescent.
  • Typical combinations for luminophore-energy acceptor combinations are the pairs [ruthenium (tris) bipyridyl / bromothymol blue], [fluorescein / rhodamine-B].
  • a certain combination of luminophore and energy acceptor makes it possible to produce a whole set of luminophores from just one luminophore with its unique decay time, which increases the number of possible optical tags or codes enormously.
  • the number of coding options is also limited here by the resolution of the optical reader when determining the decay time.
  • the decay time of a luminophore can also be changed in a targeted manner by adding so-called quenchers, which reproducibly reduce the decay time of the luminescence of the marker by dynamic quenching Belittling way.
  • the erasable luminophores include, above all, nitrogen-heterocyclic luminophores (such as the quinolines and acridines), the luminescence of which is quenched by chloride, bromide, iodide, but also by nitro compounds.
  • Volmer represents the quenching constant which is specific for the luminophore, the quencher and the polymer used.
  • Another way of expanding the number of possible codes is to determine the absorption and / or emission maximum of one of the dyes used (luminophore or energy acceptor) in addition to the decay time. This gives you the option of using the wavelength of a dye as information in addition to the decay time of a luminophore.
  • the number of coding options is limited here by the resolving power of the optical reader when determining the decay time and the wavelength of the absorption or emission maximum.
  • the marker is read using an optical reader. This is designed in such a way that it excites the marker with light and is able to measure its decay time. In addition, it can also enable the determination of the intensity or the spectral maximum of the luminescence of the marker.
  • the preferred light source for stimulating the luminescence is the light-emitting diode, but also laser diodes, lasers or other light sources that can be switched quickly, such as. B. Xenon lamps are suitable.
  • the decay time of the luminescence can be measured - in a manner known per se - using time-resolving methods (e.g. using short excitation pulses) or using frequency-resolving methods (e.g. using sinusoidally modulated light sources).
  • Example 1 Production of a strip for phosphorescence-optical authentication
  • the nanoparticles obtained in this way (generally approx. 50-200 nm) are suspended in water. 4 g of polyacrylamide are added to this suspension. The solution is spread out as a thin strip, freeze-dried and then cross-linked with formaldehyde. A water-insoluble orange-red strip is obtained which can be applied to a number of products.
  • Example 2 Detection of a Counterfeit A strip with a color (orange-yellow) which is practically identical to the strip given in Example 1 is obtained when a simple polyacrylamide strip is stained with the dye dichlorofluorescein. This strip can also be applied to any product. Externally, a product would be authenticated with each of the two stripes.
  • a short ( ⁇ 10 ns) pulse of light with a wavelength between 440 and 490 nm is directed onto the marker strip.
  • the light pulse induces the fluorescence of both strips.
  • the "wrong" strip (stained with fluorescein) has a very short decay time, which has disappeared after the time ti. Only the "real” streak has a measurable luminescence (phosphorescence) after the time ti, which can be recorded in the time window between and t 2 . It can thus be determined whether the applied strip represents an original authentication or a forgery.
  • the measurement process can be refined by accurately determining the decay time of the phosphorescence. To do this, one does not check whether a phosphorescence occurs at all, but whether the decay time of the phosphorescence meets a certain specification.
  • a fluorescein-colored (counterfeit) strip is similar in color to an authentic strip and also fluoresces strongly, but has a very short decay time that has disappeared over time. Thus, it is recognized as a forgery by measuring the cooldown.

Abstract

The invention relates to a method for carrying out luminescence optical authentication during which a product is provided with at least one luminescent marker, and the authentication ensues by determining the decay time of the luminescence of the marker.

Description

Lumineszenz-optische Verfahren zur Authentikation von Produkten Luminescence optical process for the authentication of products
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lumineszenz-optischen Authentikation, wobei ein Produkt mit mindestens einem lumineszenten Marker versehen wird und die Authentikation durch Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz des Markers erfolgt.The invention relates to a method for luminescence-optical authentication, wherein a product is provided with at least one luminescent marker and the authentication takes place by determining the decay time of the luminescence of the marker.
Zweck der AuthentikationAuthentication Purpose
Die Authentikation von Produkten jeglicher Art besitzt eine erhebliche technische Bedeutung, denn Produkte und Güter können unter falschen Markennamen in den Verkehr gebracht werden, medizinische und technische Geräte können mit nicht-authorisierten Produkten und Reagenzien betrieben, und Banknoten und Kreditkarten können gefälscht werden. Eine Authentikation bezweckt aber auch die eindeutige Kennzeichnung von Produkten eines bestimmten Herstellers, sowie damit verbunden die Gewährleistung, dass nur wohldefinierte Produkte in bestimmte Verfahren eingesetzt werden. Dies ist eine sehr umfangreiche Problematik. Zu ihr gehört der Einsatz von medizintechnischen Originalgeräten und -komponenten ebenso wie die Verwendung von Originalersatzteilen bei Reparaturen. Man unterscheidet in der Praxis zwischen einer Authentikation im Hinblick auf eine ja/nein-Entscheidung (z. B. die Frage ob ein authentisches Produkt oder eine Fälschung vorliegt) und einer Authentikation im Hinblick auf eine Produktcodierung im Sinne einer Zuordnung (z. B. Qualitätsmerkmale, Charge, Produktions- bzw. Ablaufdatum, Herstellungsort, verwendetes Material, Einsatz in einem nur dafür bestimmten Messgerät, dem jeweiligen Einsatzzweck).The authentication of products of all kinds is of considerable technical importance because products and goods can be marketed under false brand names, medical and technical devices can be operated with unauthorized products and reagents, and banknotes and credit cards can be counterfeited. Authentication also aims at clearly identifying products from a certain manufacturer, as well as ensuring that only well-defined products are used in certain processes. This is a very extensive problem. It includes the use of original medical technology devices and components as well as the use of original spare parts for repairs. In practice, a distinction is made between authentication with regard to a yes / no decision (e.g. the question of whether there is an authentic product or a counterfeit) and authentication with regard to product coding in the sense of an assignment (e.g. Quality characteristics, batch, production or expiry date, place of manufacture, material used, use in a measuring device only intended for this, the respective purpose).
Folgende Produkte bedürfen besonders häufig einer eindeutigen Authentikation: Textilien, Bekleidung, Plastikspritzgussteile, medizinische Geräte, Einwegmaterialien für die Medizin, Medikamente, Ersatzteile jeglicher Art, Automobilbauteile und -ersatzteile, Mikrotiterplatten für die medizinische Diagnostik und das Hochdurchsatz-Screening, Verpackungsmaterialien aus Plastik (auch in Hinblick auf die Sortierung bei der Wiederverwertung), Metallfolien oder Papier, Holz, Papier, verpackte Nahrungsmittel jeglicher Art (Milch und Milchprodukte, Fleisch, Fisch, Kohlehydrate und dergl.), aber auch lebende Tiere. Diese Liste der in Frage kommenden Güter ist keineswegs vollständig.The following products particularly often require clear authentication: textiles, clothing, plastic injection molded parts, medical Devices, disposable materials for medicine, medicines, spare parts of all kinds, automotive components and spare parts, microtiter plates for medical diagnostics and high-throughput screening, plastic packaging materials (also with regard to sorting for recycling), metal foils or paper, wood, Paper, packaged food of all kinds (milk and milk products, meat, fish, carbohydrates and the like), but also live animals. This list of eligible goods is by no means exhaustive.
Stand der TechnikState of the art
Die Authentikation von Produkten jeglicher Art mit Hilfe von Fluoreszenzmarkem besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen, z. B. elektromagnetischen Methoden. Insbesondere zählt dazu der Umstand, dass man Fluoreszenzmarker einbringen kann, die äußerlich nicht erkennbar sind, deren Fluoreszenz aber mit Hilfe geeigneter Messgeräte nachweisbar ist. Außerdem können diese Marker sehr klein sein, in fast beliebiger Form und auch direkt in das Material (z. B. Plastik) eingebracht werden. Die in den Markern enthaltene Information ist somit äußerlich nicht erkennbar und damit kaum fälschbar.Authenticating products of any kind using fluorescent labels has a number of advantages over others, e.g. B. electromagnetic methods. In particular, this includes the fact that one can insert fluorescent markers that are not externally recognizable, but whose fluorescence can be detected with the aid of suitable measuring devices. In addition, these markers can be very small, in almost any shape and can also be inserted directly into the material (e.g. plastic). The information contained in the markers is therefore not externally recognizable and therefore hardly falsifiable.
Fluoreszenzmarker haben deshalb erhebliches Interesse gefunden. In der WO 2003/099039 werden Phycobiliproteine beschrieben, mit deren Hilfe abgefülltes Bier fluoreszenzmarkiert werden kann. In der US-Anmeldung 2003/194053 wird die Röntgenfluoreszenz als Markiermethode herangezogen, die aber unter dem Nachteil leidet, dass ein sehr aufwändiges und voluminöses Gerät zum Nachweis herangezogen werden muss. In der WO 2003/080759 werden photochrome Farbstoffe verwendet, um Farbveränderungen durch Licht heranzuziehen. In der PCT WO 2002/098670 werden fluoreszente Wasserzeichenbilder vorgeschlagen. Auch diese Materialien können nur eingesetzt werden, wenn das zu markierende Material weder starke Selbstfluoreszenz aufweist, noch gefärbt ist. In der WO 2001/090729 werden Mikrotiterplatten markiert, indem sie mit einer lichtempfindlichen Verbindung versehen werden. In der PCT WO 2001/037207 werden Fluoreszenzmarker beschrieben, die ein Objekt mit Codierungsmaterialien versehen, die sich in Größe, Form und Fluoreszenzfarbe unterscheiden. Wiederum gilt das vorhin in Hinblick auf die Untergrundfluoreszenz Gesagte.Fluorescence markers have therefore found considerable interest. WO 2003/099039 describes phycobiliproteins that can be used to fluoresce-label bottled beer. In the US application 2003/194053, the X-ray fluorescence is used as a marking method, but it suffers from the disadvantage that a very complex and voluminous device has to be used for the detection. WO 2003/080759 uses photochromic dyes in order to use color changes due to light. Fluorescent watermark images are proposed in PCT WO 2002/098670. These materials can also only be used if the material to be marked has neither strong self-fluorescence nor is it colored. In WO 2001/090729, microtiter plates are marked by providing them with a light-sensitive compound. In the PCT WO 2001/037207 describes fluorescent markers which provide an object with coding materials which differ in size, shape and fluorescent color. Again, what has been said about the background fluorescence applies.
Die WO 2001/031341 sieht als Markierungsmaßnahme ein Mikroplättchen vor, auf dem oder in dem eine chemische Reaktion zwischen den Bestandteilen des Mikroplättchens und den Bestandteilen des Produktes eintreten können. In diesem Fall muss also eine chemische Reaktion zwischen der Probe und dem Mikroplättchen bzw. seinen Bestandteilen eintreten und zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften führen. Die PCT WO 2001/031590 sieht die Möglichkeit vor, auf einem beliebigen Produkt Fluoreszenzbilder oder Zeichen aufzubringen, die mit Hilfe eines optischen Schrift-Lesers (OCR) ausgelesen werden können. Die PCT WO 2000/OS28631 sieht die Verwendung von Lanthanidenkomplexen als Marker in der Charakterisierung von Gegenständen vor. Derartige Marker besitzen den Vorteil, dass sie selbst ungefärbt sind und eine im sichtbaren Bereich liegende Fluoreszenz abgeben, wenn sie mit UV-Licht angeregt werden. Die PCT WO 2000/079347 sieht vor, dass einem Toner, der zur Herstellung von Dokumenten verwendet wird, ein Material zugesetzt wird, das mit Hilfe der Fluoreszenz nachgewiesen wird.WO 2001/031341 provides as a marking measure a microplate on or in which a chemical reaction between the components of the microplate and the components of the product can occur. In this case, a chemical reaction between the sample and the microplate or its components must occur and lead to a change in the optical properties. PCT WO 2001/031590 provides the possibility of applying fluorescent images or characters to any product, which can be read out using an optical font reader (OCR). PCT WO 2000 / OS28631 provides for the use of lanthanide complexes as markers in the characterization of objects. Such markers have the advantage that they are themselves undyed and emit a fluorescence that is in the visible range when they are excited with UV light. PCT WO 2000/079347 provides that a material that is detected by means of fluorescence is added to a toner that is used to produce documents.
Die PCT WO 1998/28320 sieht u.a. vor, dass programmierbare funktionalisierte und sich selbst anordnende fluoreszenzmarkierte Nukleinsäuren dazu verwendet werden, um eine Produktauthentikation bzw. einen Fälschungsschutz herbeizuführen. Die PCT WO 1997/42490 beschreibt ein Verfahren, um die relativen Anteile von Schlüsselmaterialien in Produkten nachzuweisen bzw. anzugeben. Die Methode beruht auf der Wechselwirkung dieser Schlüsselbestandteile in Produkten mit einem eingebrachten Material, dessen optische Eigenschaften sich mit der Konzentration oder Menge dieser Schlüsselprodukte ändern. Die US-PS 5,292,855 sieht eine Tinte vor, die mit einem Nahinfrarot- Fluoreszenzfarbstoff markiert ist. Sie besteht aus sulfonierten Polyestern und Polyesteramiden und kann auf eine Reihe von Artikeln zur Identifikation bzw. Authentikation aufgebracht werden. In der PCT WO 1987/06383 werden Verfahren zur Authentikation beschrieben, in denen eine genomische DNA auf das in Frage kommende Subjekt aufgebracht wird. Die aufgebrachte DNA wird durch Zugabe eines Fluoreszenzmarkers wie Ethidiumbromid sichtbar gemacht. In der US-PS 4,552,617 wird ein Sicherheitspapier beschrieben.PCT WO 1998/28320 provides, inter alia, that programmable functionalized and self-arranging fluorescence-labeled nucleic acids are used to bring about product authentication or counterfeit protection. PCT WO 1997/42490 describes a method for detecting or indicating the relative proportions of key materials in products. The method is based on the interaction of these key components in products with an introduced material, the optical properties of which change with the concentration or quantity of these key products. US Pat. No. 5,292,855 provides an ink which is marked with a near infrared fluorescent dye. It consists of sulfonated polyesters and polyester amides and can be applied to a number of articles for identification or authentication. Methods for authentication are described in PCT WO 1987/06383, in which a genomic DNA is applied to the subject in question. The applied DNA is made visible by adding a fluorescent marker such as ethidium bromide. A security paper is described in US Pat. No. 4,552,617.
Das Verfahren betrifft- eine neue Methode zur optischen Markierung von Produkten, sowie Marker, mit deren Hilfe dieses Verfahren durchführbar.jst. Die zu authentizierenden Produkte werden mit einem oder mehreren fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Farbstoffen markiert, deren Abklingzeit der Fluoreszenz oder Phosphoreszenz gemessen und als Information für eine Identifikation bzw. Authentikation eines Produktes verwendet wird. Die Abklingzeiten der Farbstoffe können auf zweierlei Weise moduliert werden, nämlich entweder durch Variation der chemischen Struktur, oder durch Zusatz einer zweiten Substanz, die die Abklingzeit des Fluorophors oder Phosphors messbar und reproduzierbar verändert. Produkte, die mit Markierungsstreifen oder Punkten versehen sind, die derartige Farbstoffe oder Farbstoffkombinationen enthalten, können über die Messung der Abklingzeit eindeutig authentiziert, codiert oder zugeordnet werden. Die erfindungsgemäßen Fluoreszenzfarbstoffe besitzen eine Abklingzeit von mindestens 0,1 ns, die Phosphoreszenzfarbstoffe eine Abklingzeit von mehr als 100 ns. Die Phosphoreszenzfarbstoffe sind somit auch zeitaufgelösten Messverfahren zugänglich.The method concerns - a new method for the optical marking of products, as well as markers, with the help of which this method can be carried out. The products to be authenticated are marked with one or more fluorescent or phosphorescent dyes, the decay time of the fluorescence or phosphorescence is measured and used as information for identification or authentication of a product. The decay times of the dyes can be modulated in two ways, namely either by varying the chemical structure or by adding a second substance which measurably and reproducibly changes the decay time of the fluorophore or phosphorus. Products that are provided with marking strips or dots that contain such dyes or dye combinations can be clearly authenticated, coded or assigned by measuring the decay time. The fluorescent dyes according to the invention have a decay time of at least 0.1 ns, the phosphorescent dyes have a decay time of more than 100 ns. The phosphorescent dyes are therefore also accessible to time-resolved measurement methods.
Definitionendefinitions
Der Ausdruck Lumineszenz wird hier im Zusammenhang mit allen Arten der Lichtemission verwendet, also für Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Der Ausdruck Fluoreszenz bezieht sich spezifisch auf schnell abklingende Lumineszenz, also typischerweise im Bereich zwischen 0,1 und 50 ns. Der Ausdruck Phosphoreszenz bezieht sich auf langsam abklingende Lumineszenz, typischerweise im Bereich von 100 ns bis zu 1 sec. Als Kenngröße wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung z.B. die Abklingzeit verstanden. Weitere Kenngrößen der Lumineszenz sind z.B. auch das Absorptions- oder Emissionsmaximum der verwendeten Farbstoffe, sowie z.B. deren relative Luminszenzintensität. Weitere Kenngrößen sind in der nachfolgenden Beschreibung genannt.The term luminescence is used here in connection with all types of light emission, that is to say for fluorescence and phosphorescence. The term fluorescence refers specifically to rapidly decaying luminescence, that is typically in the range between 0.1 and 50 ns. The term phosphorescence refers to slowly decaying luminescence, typically in the range from 100 ns to 1 sec. In the context of this invention, a characteristic is understood to be, for example, the decay time. Further parameters of the luminescence are, for example, the absorption or emission maximum of the dyes used, and for example their relative luminescence intensity. Further parameters are mentioned in the following description.
Nachteile der Authentikation von Produkten über die Messung der Fluoreszenzintensität Die Intensität F der Fluoreszenz ist vergleichsweise leicht zu messen. Sie steht mit der Konzentration c des Markers in folgendem Zusammenhang F = F0 ε c I φf worin F0 für die Intensität der Lichtquelle steht, ε für den molaren dekadischen Absorptionskoeffizienten, / für die durchstrahlte Länge des fluoreszierenden Marker, φf für die Quantenausbeute, und k für eine geometrische Konstante. F hängt des weiteren von der Empfindlichkeit des Photodetektors ab.Disadvantages of authenticating products by measuring the fluorescence intensity The intensity F of the fluorescence is comparatively easy to measure. It is related to the concentration c of the marker in the following relationship F = F 0 ε c I φ f where F 0 stands for the intensity of the light source, ε for the molar decadal absorption coefficient, / for the irradiated length of the fluorescent marker, φ f for the Quantum yield, and k for a geometric constant. F also depends on the sensitivity of the photodetector.
Die Fluoreszenzintensität ist aber keine ideale Mess- bzw. Authentikationsgröße, da sie von der Konzentration c des zugesetzten Fluorophors ebenso abhängt wie von anderen Größen in obiger Gleichung.However, the fluorescence intensity is not an ideal measurement or authentication variable, since it depends on the concentration c of the fluorophore added as well as on other variables in the above equation.
Vorteile der Authentikation von Produkten über die Messung der Abklingzeit Die Lumineszenz eines Luminophors klingt üblicherweise nach folgender exponentiellen Funktion ab: I = l0 e kt In dieser Gleichung bedeuten l0 bzw. / die Intensität der Lumineszenz zum Zeitpunkt Null bzw. t, während k eine stoffspezifische Abklingkonstante darstellt. Diese Abklingfunktion ist in Figur 1 graphisch dargestellt. Die natürliche Abklingzeit τ0 ist definiert als jene Zeit, in der / auf den Wert l/e gefallen ist, also auf etwa 36.8 % der Anfangsintensität l0. Die Zeitτ0 kann mit verschiedenen Methoden bestimmt werden, die entweder in der Zeitdomäne oder in der Frequenzdomäne arbeiten.Advantages of authenticating products by measuring the decay time The luminescence of a luminophore usually decays according to the following exponential function: I = l 0 e kt In this equation, l 0 and / mean the intensity of the luminescence at the time zero or t, while k represents a substance-specific decay constant. This decay function is shown graphically in FIG. 1. The natural decay time τ 0 is defined as the time in which the value l / e fell, i.e. to approximately 36.8% of the initial intensity l 0 . The time τ 0 can can be determined using various methods that operate either in the time domain or in the frequency domain.
Die Abklingzeit τ0 der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz ist also eine Größe, die - im Gegensatz zur Intensität - von der Konzentration des Fluorophors bzw. Phosphors unabhängig ist. Damit hat man eine Messgröße in der Hand, die viel eindeutiger bestimmbar ist als die Lumineszenzintensität /, weil sie unabhängig ist von der Markerkonzentration, der Intensität der Lichtquelle, der Empfindlichkeit des Photodetektors, aber auch von Ausbleicherscheinungen, wie sie bei längerer Lagerung der Produkte auftreten können. Auch die Leichtigkeit einer Nachahmung ist bei Markern, die über die Abklingzeit codiert sind, wesentlich schwieriger als die Nachahmung einer (eventuell sogar visuell erkennbaren) Absorptions- oder Emissionsfarbe. Insgesamt gesehen stellt somit τ0 einen weit besseren Parameter für eine Authentikation dar.The decay time τ 0 of the fluorescence and the phosphorescence is therefore a variable which, in contrast to the intensity, is independent of the concentration of the fluorophore or phosphorus. This gives you a measurement parameter that can be determined much more clearly than the luminescence intensity /, because it is independent of the marker concentration, the intensity of the light source, the sensitivity of the photodetector, but also of the fading phenomena that occur when the products are stored for a long time can. The ease of imitation is also much more difficult for markers that are coded over the decay time than the imitation of an (possibly even visually recognizable) absorption or emission color. Overall, τ 0 represents a far better parameter for authentication.
Verbesserte Authentikation durch zeitaufgelöste Messung der AbklingzeitImproved authentication through time-resolved measurement of the cooldown
Die Messung der Lumineszenz kann allerdings durch eine Untergrundlumineszenz beeinflusst oder gestört werden. Viele Materialien besitzen Untergrundlumineszenz mit Abklingzeiten im Bereich von 0,5 bis 5 ns. Erfindungsgemäß kann man dieses Problem dadurch beheben, dass man Lumineszenzfarbstoffe mit einer Abklingzeit einsetzt, die deutlich länger ist als die der Untergrundlumineszenz ist. Bei der Messung (siehe Abb. 2) geht man so vor, dass man die Abklingzeit erst nach einer kleiner Verzögerungsphase (typischerweise 5 - 100 ns) bestimmt, während der die Untergrundfluoreszenz stark abgeklungen ist, während hingegen die Phosphoreszenz immer noch emittiert und damit nachweisbar wird.The measurement of the luminescence can, however, be influenced or disturbed by background luminescence. Many materials have background luminescence with decay times in the range of 0.5 to 5 ns. According to the invention, this problem can be remedied by using luminescent dyes with a decay time which is significantly longer than that of the background luminescence. The measurement (see Fig. 2) is done by determining the decay time only after a small delay phase (typically 5 - 100 ns) during which the background fluorescence has decayed sharply, while the phosphorescence is still emitting and therefore detectable becomes.
Das Messverfahren kann verfeinert werden, indem nicht nur die Anwesenheit der Lumineszenz des Markers nachgewiesen wird, sondern deren Abklingzeit genau , bestimmt wird bzw. einer bestimmten Vorgabe genügt. Ein dafür geeignetes schnelles Verfahren besteht darin, dass man, wie ebenfalls in Abb. 2 gezeigt, die Intensität zweier gleich langer Messfenster (Ai und A2) bestimmt, und den Wert von τ mit Hilfe der Gleichung τ = (t2 - t1)/ln(Aι/A2) bestimmt.The measuring method can be refined by not only detecting the presence of the luminescence of the marker, but also determining its decay time precisely or meeting a specific requirement. A suitable quick procedure for this is that As also shown in Fig. 2, the intensity of two equally long measurement windows (Ai and A 2 ) is determined, and the value of τ is determined using the equation τ = (t 2 - t 1 ) / ln (Aι / A 2 ).
Markersubstanzenmarkers
Die verwendeten Luminophore (Marker) sollen folgende Eigenschaften besitzen: * eine bei Raumtemperatur messbäre Lumineszenz,The luminophores (markers) used should have the following properties: * a luminescence measurable at room temperature,
* zumindest eine Absorptionsbande mit einem Maximum im Bereich zwischen 350 und 1000 nm,* at least one absorption band with a maximum in the range between 350 and 1000 nm,
* ausreichende Lagerstabilität,* sufficient storage stability,
* ausreichende Photostabilität. * fehlende Toxizizät* sufficient photostability. * lack of toxicity
* Möglichkeit der Aufbringung auf das Produkt, oder der Einbringung in das Produkt.* Possibility of application to the product or incorporation into the product.
Als fluoreszierende Marker kommen in Frage Cumarine und andere Sauerstoff-heterocyclische Fluorophore, Fluoresceine und Rhodamine, polycyclische Aromaten und davon abgeleitete Chinone, Fluorophore, die als Lichtkollektoren Verwendung finden, sowie Stickstoff- und Schwefel- heterocyclische Verbindungen, Pyrido- und Indoloaromaten, Indigofarbstoffe, Cyanin- und Merocyaninfarbstoffe, Benzindole und deren Homologe, sowie Acridine, Benzacridine und Benzacridone.Possible fluorescent markers are coumarins and other oxygen-heterocyclic fluorophores, fluoresceins and rhodamines, polycyclic aromatics and quinones derived therefrom, fluorophores which are used as light collectors, and nitrogen and sulfur-heterocyclic compounds, pyrido- and indolo-aromatics, indigo dyes, cyanine - And merocyanine dyes, benzindoles and their homologues, as well as acridines, benzacridines and benzacridones.
Als phosphoreszierende Marker kommen Metallsalze, organische Verbindungen, Metall-Liganden-Komplexe, andere metallorganische Verbindungen, aber auch höher strukturierte Systeme wie z. B. Kristalle oder dotierte Halbleiter in Frage. Die Gruppe der Phosphore umfasst vor allem:As phosphorescent markers are metal salts, organic compounds, metal-ligand complexes, other organometallic compounds, but also more highly structured systems such. B. crystals or doped semiconductors in question. The group of phosphors mainly includes:
(1) Organische Verbindungen, die eine Raumtemperatur-Phosphoreszenz (RTP) aufweisen, wobei es zur Erhöhung der Phosphoreszenzintensität günstig ist, die Farbstoffe auf einen festen porösen Träger (z. B. Cellulose oder Silicagel) zu verteilen oder in eine Matrix (z. B. in eine feste Schmelze aus Borsäure oder Phosphat; oder aber ein organisches Polymer) einzubinden.(1) Organic compounds that have room temperature phosphorescence (RTP), being used to increase the phosphorescence intensity It is favorable to distribute the dyes on a solid porous carrier (e.g. cellulose or silica gel) or to incorporate them in a matrix (e.g. in a solid melt of boric acid or phosphate; or else an organic polymer).
(2) Metallsalze, metallorganische Verbindungen bzw. Metall-Liganden- Komplexe, die eine RTP aufweisen und die in diesem Fall oft so stark ist, dass die Einbettung in eine glasartige Schmelze nicht erforderlich ist. Dazu gehören Metallsalze vom Typ des CdS und EuP04 ebenso wie vorzugsweise auch phosphoreszierende Derivate der Ionen vieler Metalle, vorzugsweise des Platins, Iridiums, Osmiums, Rutheniums, Kupfers, Silbers oder Golds mit unterschiedlichen Substituenten oder Liganden, aber auch von Halbmetallen wie z. B. des Siliciums oder Germaniums. Beispiele dafür sind das Bis(thiophen)platin(ll), die zahlreichen Dipyridylkomplexe der genannten Ionen, sowie die Komplexe von Metallen und Halbmetallen mit Porphyrinen und Phthalocyaninen bzw. mit anderen cyclischen Liganden vom Typ der Kronenether bzw. Coronanden und Podanden. Auch die Komplexe der Seltenerden-Elemente Europium, Terbium und Dysprosium liefern eine auch bei Raumtemperatur deutlich messbare Phosphoreszenz. Konkrete Beispiele dafür sind die Komplexe des Eu(lll), Dy(lll) und Tb (III) mit Tetracyclinen, 3-Carboxy-4-chinolonen und anderen Komplexbildnern.(2) metal salts, organometallic compounds or metal-ligand complexes which have an RTP and which in this case is often so strong that it is not necessary to embed them in a glass-like melt. These include metal salts of the type of CdS and EuP0 4 as well as preferably also phosphorescent derivatives of the ions of many metals, preferably of platinum, iridium, osmium, ruthenium, copper, silver or gold with different substituents or ligands, but also of semi-metals such as. B. of silicon or germanium. Examples of this are bis (thiophene) platinum (II), the numerous dipyridyl complexes of the ions mentioned, and the complexes of metals and semimetals with porphyrins and phthalocyanines or with other cyclic ligands of the crown ether or coronand and podand type. The complexes of the rare earth elements europium, terbium and dysprosium also provide phosphorescence that is clearly measurable even at room temperature. Specific examples of this are the complexes of Eu (III), Dy (III) and Tb (III) with tetracyclines, 3-carboxy-4-quinolones and other complexing agents.
(3) Nicht-Iumineszierende feinverteilte Feststoffe aus der Gruppe der Metalle, Halbleiter, Salze, organischer oder anorganischer Polymerer, die mit einem der unter den Punkten (1) bis (3) genannten Farbstoffe dotiert sind.(3) Non-luminescent, finely divided solids from the group of metals, semiconductors, salts, organic or inorganic polymers which are doped with one of the dyes mentioned under (1) to (3).
Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen VerfahrensPossible uses of the method according to the invention
Die Marker können in verschiedener Weise zur Codierung bzw. zur Herstellung von Codier-Materialien ("tags") eingesetzt werden, was im Folgenden beispielhaft dargelegt ist: (a) Der Marker wird direkt in das Produkt eingebracht, z. B. durch Lösen oder Dispergieren in Teilen des Produktes, oder im gesamten Produkt. Als Beispiel diene hier die Markierung von Plastikteilen wie z. B. Mikrotiterplatten oder von Produkten wie z. B. Banknoten.The markers can be used in various ways for coding or for producing coding materials (“tags”), which is set out below by way of example: (a) The marker is inserted directly into the product, e.g. B. by dissolving or dispersing in parts of the product, or in the entire product. The marking of plastic parts such as e.g. B. microtiter plates or products such. B. banknotes.
(b) Der Marker wird zuerst in einen festen Träger aus einem Polymer eingebracht, welcher dann zur eigentlichen Codierung des Produktes verwendet wird. Der Träger wird üblicherweise als Streifen oder runde Fläche ausgestaltet sein und kann dann in an sich bekannter Form am (oder im) Produkt befestigt werden. Als Beispiel diene hier die Markierung von Textilien, Verpackungen oder Einwegartikeln.(b) The marker is first placed in a solid support made of a polymer, which is then used for the actual coding of the product. The carrier is usually designed as a strip or round surface and can then be attached to the (or in) the product in a form known per se. The marking of textiles, packaging or disposable items serves as an example.
(c) Der Marker oder seine Lösung wird direkt auf das Produkt aufgestempelt oder gesprüht, wonach ein eventuell vorhandenes Lösungsmittel danach zum Verdampfen gebracht wird.(c) The marker or its solution is stamped or sprayed directly onto the product, after which any solvent which may be present is then evaporated.
Es können alle denkbaren Produkte und Verbrauchsgüter auf die oben genannten Arten markiert werden. Beipsielhaft genannt seien hier z.B. Textilien, Dokumente, Banknoten, Papierprodukte, Scheck- und Kreditkarten, Identifikationskarten, technische und medizintechnische Geräte, Einwegartikel, Plastik, Mikrotiterplatten, Verpackungsmaterialien, Treibstoffe, Pharmazeutika, Agrochemikalien, Nahrungsmittel und Getränke.All conceivable products and consumer goods can be marked in the above-mentioned ways. Examples include: Textiles, documents, banknotes, paper products, check and credit cards, identification cards, technical and medical devices, disposables, plastics, microtiter plates, packaging materials, fuels, pharmaceuticals, agrochemicals, food and beverages.
Zweck der Authentikation mit Hilfe des erfindungsgemäßen VerfahrensPurpose of authentication using the method according to the invention
Die Authentikation mit Hilfe der Messung der Abklingzeit der Lumineszenz dient vorzugsweise, aber nicht ausschließlich folgenden Zwecken:Authentication by measuring the decay time of the luminescence preferably, but not exclusively, serves the following purposes:
* Nachweis der Ab- oder Anwesenheit eines Luminophores mit einer bestimmten Abklingzeit im Hinblick auf eine mögliche Produktfalsifikationen;* Evidence of the absence or presence of a luminophore with a certain cooldown with regard to possible product falsifications;
* Authentikation eines Produktes in Hinblick auf dessen Eignung für einen bestimmten Zweck. Erweiterung der Codiermöglichkeiten* Authentication of a product with regard to its suitability for a specific purpose. Extension of coding options
Angesichts der Fülle von Produkten, die zu authentizieren sind, ist es aber wünschenswert, die Zahl der möglichen Codes auszuweiten. Des weiteren führt die Erhöhung der Zahl von Codes, die durch Authentikation eingeführt werden können, auch zu einer erhöhten Sicherheitsstufe eines Produkte. Zur Erweiterung der Codes der erfindungsgemaßen Authentikationsmethode bestehen folgende Möglichkeiten:Given the abundance of products to be authenticated, however, it is desirable to expand the number of possible codes. Furthermore, increasing the number of codes that can be introduced through authentication also leads to an increased security level of a product. The following options exist for expanding the codes of the authentication method according to the invention:
(1) Viele Luminophore weisen eine umgebungsabhängige Lumineszenz auf. Wenn man also einen bestimmten Luminophor in unterschiedliche Polymere einbettet, erhält man Marker mit unterschiedlichen Abklingzeiten und damit Codes. Die Zahl der Codier-Möglichkeiten wird nur durch das Auflösungsvermögen des optischen Readers bei der Bestimmung der Abklingzeit begrenzt.(1) Many luminophores have environment-dependent luminescence. So if you embed a certain luminophore in different polymers, you get markers with different cooldowns and thus codes. The number of coding options is only limited by the resolution of the optical reader when determining the decay time.
(2) Die Abklingzeit eines Luminophors kann auch gezielt verändert werden. Dazu setzt man beispielsweise den Luminophoren andere Farbstoffe (sog. Energieakzeptoren) zu, die die Abklingzeit der Lumineszenz in definierter Weise verändern, indem sie die optische Energie des Markerluminophores übernehmen und dessen Abklingzeit und Lumineszenzintensität verändern. Der Energieakzeptor kann lumineszent oder nichtlumineszent sein. Typische Kombinationen für Luminophor-Energieakzeptor-Kombinationen sind die Paare [Ruthenium(tris)bipyridyl/Bromthymolblau], [Fluorescein/Rhodamin-B]. Durch eine bestimmte Kombination aus Luminophor und Energieakzeptor gelingt es, aus nur einem Luminophor mit seiner einzigartigen Abklingzeit einen ganzen Satz von Luminophoren herzustellen, wodurch sich die Zahl der möglichen optischen Tags bzw. Codes enorm erhöht. Die Zahl der Codier-Möglichkeiten wird auch hier durch das Auflösungsvermögen des optischen Readers bei der Bestimmung der Abklingzeit begrenzt.(2) The decay time of a luminophore can also be changed in a targeted manner. For this purpose, for example, other dyes (so-called energy acceptors) are added to the luminophores, which change the decay time of the luminescence in a defined manner by taking over the optical energy of the marker luminophore and changing its decay time and luminescence intensity. The energy acceptor can be luminescent or non-luminescent. Typical combinations for luminophore-energy acceptor combinations are the pairs [ruthenium (tris) bipyridyl / bromothymol blue], [fluorescein / rhodamine-B]. A certain combination of luminophore and energy acceptor makes it possible to produce a whole set of luminophores from just one luminophore with its unique decay time, which increases the number of possible optical tags or codes enormously. The number of coding options is also limited here by the resolution of the optical reader when determining the decay time.
(3) Die Abklingzeit eines Luminophors kann auch gezielt verändert werden, indem man so genannte Löscher zusetzt, die die Abklingzeit der Lumineszenz des Marker durch dynamische Löschung in reproduzierbarer Weise herabsetzen. Zu den löschbaren Luminophoren gehören vor allem Stickstoff-heterocyclische Luminophore (wie z.B. die Chinoline und Acridine), deren Lumineszenz durch Chlorid, Bromid, lodid, aber auch durch Nitroverbindungen gelöscht wird. Die Löschung gehorcht dabei der Stern- Volmer Gleichung: τ0/τ = 1 + KSV[L] worin τ 0 bzw. τ für die Abklingzeit in Abwesenheit bzw. Anwesenheit des(3) The decay time of a luminophore can also be changed in a targeted manner by adding so-called quenchers, which reproducibly reduce the decay time of the luminescence of the marker by dynamic quenching Belittling way. The erasable luminophores include, above all, nitrogen-heterocyclic luminophores (such as the quinolines and acridines), the luminescence of which is quenched by chloride, bromide, iodide, but also by nitro compounds. The deletion obeys the Stern-Volmer equation: τ 0 / τ = 1 + K SV [L] where τ 0 or τ for the decay time in the absence or presence of the
Löschers in einer Konzentration [L] stehen, und Ksv die so genannte Stem-Löschers stand in a concentration [L], and K sv the so-called stem
Volmer-Löschkonstante darstellt, die spezifisch ist für den Luminophor, den Löscher und das verwendete Polymer.Volmer represents the quenching constant which is specific for the luminophore, the quencher and the polymer used.
(4) Eine weitere Möglichkeit zur Erweiterung der Zahl der möglichen Codes besteht darin, dass man zusätzlich zur Abklingzeit auch das Absorptionsund/oder Emissionsmaximum eines der verwendeten Farbstoffe (Luminophor oder Energieakzeptor) bestimmt. Somit hat man die Möglichkeit, zusätzlich zur Abklingzeit eines Luminophors auch die Wellenlänge eines Farbstoffes als Information heranzuziehen. Die Zahl der Codier-Möglichkeiten wird hier durch das Auflösungsvermögen des optischen Readers bei der Bestimmung der Abklingzeit und der Wellenlänge des Absorptions- oder Emissionsmaximums begrenzt.(4) Another way of expanding the number of possible codes is to determine the absorption and / or emission maximum of one of the dyes used (luminophore or energy acceptor) in addition to the decay time. This gives you the option of using the wavelength of a dye as information in addition to the decay time of a luminophore. The number of coding options is limited here by the resolving power of the optical reader when determining the decay time and the wavelength of the absorption or emission maximum.
(5) Eine weitere Möglichkeit zur Erweiterung der Zahl der möglichen Codes besteht in der Verwendung von 2 Luminophoren in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen. Man bestimmt zum einen die Abklingzeiten des einen oder beider Luminophore, zum anderen deren relative Lumineszenzintensität, und bildet aus den beiden Intensitäten das Verhältnis. Dieses kann in der experimentellen Praxis zwischen 1:100 und 100:1 schwanken. Somit ergibt sich auch hier eine erhebliche Variationsmöglichkeit.(5) Another way of expanding the number of possible codes is to use 2 luminophores in different mixing ratios. On the one hand, the decay times of one or both luminophores are determined, on the other hand, their relative luminescence intensity, and the ratio is formed from the two intensities. In experimental practice, this can vary between 1: 100 and 100: 1. This also results in a considerable variation.
(6) Selbst innerhalb einer bestimmten Klasse von Luminophoren kann man durch die Variation der chemischen Struktur unterschiedliche Abklingzeiten einstellen. Die folgende Tabelle gibt einige Abklingzeiten von Ruthenium- Phosphoren unterschiedlicher chemischer Struktur (zitiert aus der Zeitschrift Talanta, Band 41 (1994) S. 985 - 991):(6) Even within a certain class of luminophores, you can set different cooldowns by varying the chemical structure. The following table gives some cooldowns of ruthenium Phosphors with different chemical structures (cited from the magazine Talanta, volume 41 (1994) pp. 985-991):
Figure imgf000013_0001
(7) Durch Kombination von mehreren Luminophoren mit ähnlich Absorptions- und Emissionspektren, aber unterschiedlichen Abklingzeiten kann man ein gezieltes Abklingzeitmuster herstellen, (kein FRET, keine Löschung) Messmethodik Die Auslesung des Markers erfolgt mit einem optischen Reader. Dieser ist so ausgelegt, dass er den Marker mit Licht anregt und dessen Abklingzeit zu messen in der Lage ist. Zusätzlich kann er auch die Bestimmung der Intensität oder des spektralen Maximums der Lumineszenz des Markers ermöglichen. Die bevorzugte Lichtquelle zur Anregung der Lumineszenz ist die Leuchtdiode, aber auch Laserdioden, Laser oder andere schnell schaltbare Lichtquellen wie z. B. Xenonlampen sind geeignet. Die Messung der Abklingzeit der Lumineszenz kann - in an sich bekannter Weise - über zeitauflösende Methoden (z. B. unter Einsatz kurzer Anregungspulse) oder mit Hilfe von frequenz-auflösenden Methoden (z. B. unter Einsatz von sinusförmig modulierten Lichtquellen) erfolgen.
Figure imgf000013_0001
(7) By combining several luminophores with similar absorption and emission spectra, but different decay times, you can create a specific decay time pattern (no FRET, no deletion). Measurement method The marker is read using an optical reader. This is designed in such a way that it excites the marker with light and is able to measure its decay time. In addition, it can also enable the determination of the intensity or the spectral maximum of the luminescence of the marker. The preferred light source for stimulating the luminescence is the light-emitting diode, but also laser diodes, lasers or other light sources that can be switched quickly, such as. B. Xenon lamps are suitable. The decay time of the luminescence can be measured - in a manner known per se - using time-resolving methods (e.g. using short excitation pulses) or using frequency-resolving methods (e.g. using sinusoidally modulated light sources).
Figur 1. Zeitlicher Verlauf der Abklingzeit der Lumineszenz, und Definition der Abklingzeit τ als jene Zeit, nach der die Anfangsintensität l0 der Lumineszenz auf den Wert l0/e, also auf ca. 36,8 % gefallen ist.Figure 1. Temporal course of the decay time of the luminescence, and definition of the decay time τ as that time after which the initial intensity l 0 of the luminescence has fallen to the value l 0 / e, that is to say approximately 36.8%.
Figur 2. Einfaches und schnelles Verfahren zur Bestimmung der Abklingzeit aus den Intensitäten der Messfenster Ai und A2 nach der angegebenen Gleichung.Figure 2. Simple and fast method for determining the decay time from the intensities of the measurement windows Ai and A 2 according to the specified Equation.
Figur 3. Absorptionsspektrum (links) und Phosphoreszenzspektrum des Materials nach Beispiel 1 und Unterschiede in den Intensitäten an Luft und an Stickstoff.Figure 3. Absorption spectrum (left) and phosphorescence spectrum of the material according to Example 1 and differences in the intensities in air and in nitrogen.
BeispieleExamples
Beispiel 1: Herstellung eines Streifens zu phosphoreszenz-optischen AuthentikationExample 1: Production of a strip for phosphorescence-optical authentication
Man löst 120 mg Polyacrylamid und 2 mg des phosphoreszierenden Farbstoffes Ru(dpp)3CI2 (bezogen von der Fa. Aldrich, Deisenhofen) in 25 mL Dimethylformamid (von der Fa. Merck). Die Lösung wird heftig gerührt, und man gibt dann 125 mL Wasser tropfenweise zu. Nach Zugabe von ca. 20 mL Wasser wird die Lösung opaleszent. Danach fügt man der Lösung in einem Guss 1 mL einer Lösung von 36.g Natriumchlorid in 100 mL Wasser zu. Die trübe Suspension wird zentrifugiert (3000 rpm, 15 min) und der rote Rückstand (nach Dekantieren) 2x mit 50 mL einer 5%-igen Kochsalzlösung und danach 3x mit 50 mL Wasser gewaschen. Die so erhaltenen Nanopartikel (i. D. ca. 50 - 200 nm) werden in Wasser suspendiert. Dieser Suspension gibt man 4 g Polyacrylamid zu. Die Lösung wird als dünner Streifen ausgestrichen, gefriergetrocknet und danach mit Formaldehyd quervernetzt. Man erhält einen wasserunlöslichen orangerot gefärbten Streifen, der sich auf eine Reihe von Produkten aufbringen lässt.120 mg of polyacrylamide and 2 mg of the phosphorescent dye Ru (dpp) 3 CI 2 (obtained from Aldrich, Deisenhofen) are dissolved in 25 mL dimethylformamide (from Merck). The solution is stirred vigorously and 125 ml of water are then added dropwise. After adding about 20 mL water, the solution becomes opalescent. Then 1 mL of a solution of 36.g sodium chloride in 100 mL water is added to the solution in one pour. The cloudy suspension is centrifuged (3000 rpm, 15 min) and the red residue (after decanting) is washed twice with 50 mL of a 5% saline solution and then 3x with 50 mL water. The nanoparticles obtained in this way (generally approx. 50-200 nm) are suspended in water. 4 g of polyacrylamide are added to this suspension. The solution is spread out as a thin strip, freeze-dried and then cross-linked with formaldehyde. A water-insoluble orange-red strip is obtained which can be applied to a number of products.
Die Absorptions- und Phosphoreszenzspektren des Streifens sind in Figur 3 dargestellt. Man erkennt, dass die Phosphoreszenz ein Maximum bei ca. 620 nm besitzt, und dass die Phosphoreszenz-Intensität unter Stickstoff und an Luft praktisch identisch ist, dass also die Löschung durch den Sauerstoff der Luft vernachlässigbar klein ist. Dieser Streifen besitzt eine Abklingzeit von 3.6 μs. Wenn das Produkt keine Phosphoreszenz aufweist, oder wenn die gemessene Abklingzeit von vorgegebenen Wert abweicht, ist das Produkt entweder eine Fälschung, oder das Produkt ist für den vorgesehenen Einsatz nicht vorgesehen.The absorption and phosphorescence spectra of the strip are shown in Figure 3. It can be seen that the phosphorescence has a maximum at approximately 620 nm, and that the phosphorescence intensity under nitrogen and in air is practically identical, so that the quenching by the oxygen in the air is negligible. This streak has a cooldown of 3.6 μs. If the product has no phosphorescence, or if the measured decay time deviates from the specified value, the product is either a counterfeit or the product is for the intended use not provided.
Beispiel 2. Erkennung einer Fälschung Ein Streifen mit einer zu dem in Beispiel 1 angegebenen Streifen praktisch identischen Farbe (orangegelb) wird erhalten, wenn man einen einfachen Polyacrylamidstreifen mit dem Farbstoff Dichlor-Fluorescein anfärbt. Auch dieser Streifen kann auf beliebige Produkte aufgebracht werden. Rein äußerlich wäre somit ein Produkt mit jedem der beiden Streifen authentiziert.Example 2. Detection of a Counterfeit A strip with a color (orange-yellow) which is practically identical to the strip given in Example 1 is obtained when a simple polyacrylamide strip is stained with the dye dichlorofluorescein. This strip can also be applied to any product. Externally, a product would be authenticated with each of the two stripes.
Der Unterschied ergibt sich erst nach Messung der Abklingzeit, die in diesem Fall bei ca. 4.8 ns liegt. Zur Messung der Abklingzeit der Authentikations-Streifen lenkt man einen kurzen (< 10 ns) Puls von Licht mit einer Wellenlänge zwischen 440 und 490 nm auf den Markerstreifen. Der Lichtpuls induziert die Fluoreszenz beider Streifen. Der "falsche" (mit Fluorescein gefärbte) Streifen hat aber eine sehr kurze Abklingzeit, die nach der Zeit ti verschwunden ist. Nur der "echte" Streifen weist nach der Zeit ti eine messbare Lumineszenz (Phosphoreszenz) auf, die im Zeitfenster zwischen und t2 aufgenommen werden kann. Somit kann festgestellt werden, ob der aufgebrachte Streifen eine Original-Authentikation oder einer Fälschung darstellt.The difference arises only after measuring the decay time, which in this case is approximately 4.8 ns. To measure the decay time of the authentication strips, a short (<10 ns) pulse of light with a wavelength between 440 and 490 nm is directed onto the marker strip. The light pulse induces the fluorescence of both strips. The "wrong" strip (stained with fluorescein) has a very short decay time, which has disappeared after the time ti. Only the "real" streak has a measurable luminescence (phosphorescence) after the time ti, which can be recorded in the time window between and t 2 . It can thus be determined whether the applied strip represents an original authentication or a forgery.
Beispiel 3. Zeitaufgelöste Messung der Abklingzeit (vor allem bei störender oder gefälschter Fluoreszenz)Example 3. Time-resolved measurement of the decay time (especially with disturbing or fake fluorescence)
Das Messverfahren kann verfeinert werden, indem die Abklingzeit der Phosphoreszenz genau bestimmt wird. Dazu prüft man nicht, ob überhaupt eine Phosphoreszenz auftritt, sondern ob die Abklingzeit der Phosphoreszenz einer bestimmten Vorgabe genügt. Ein dafür geeignetes schnelles Verfahren besteht darin, dass man, wie ebenfalls in Abb. 2 gezeigt, die Intensität zweier gleich langer Messfenster A- und A2) bestimmt, und den Wert von τ mit Hilfe der Gleichung τ = (t2- t1)/ln(A1/A2) bestimmt Eine Untergrundfluoreszenz ist nach abgeklungen. Ein mit Fluorescein gefärbter (gefälschter) Streifen hat zwar eine ähnliche Farbe wie ein authentischer Streifen und fluoresziert auch kräftig, besitzt aber eine sehr kurze Abklingzeit, die nach der Zeit verschwunden ist. Somit ist er über die Messung der Abklingzeit als Fälschung erkannt. The measurement process can be refined by accurately determining the decay time of the phosphorescence. To do this, one does not check whether a phosphorescence occurs at all, but whether the decay time of the phosphorescence meets a certain specification. A suitable quick method consists in determining the intensity of two equally long measurement windows A- and A 2 ), as also shown in Fig. 2, and the value of τ using the equation τ = (t 2 - t 1 ) / ln (A 1 / A 2 ) determined Background fluorescence has subsided. A fluorescein-colored (counterfeit) strip is similar in color to an authentic strip and also fluoresces strongly, but has a very short decay time that has disappeared over time. Thus, it is recognized as a forgery by measuring the cooldown.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur lumineszenz-optischen Authentikation von Produkten, dadurch gekennzeichnet, dass die Authentikation durch Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz eines oder mehrerer auf oder in dem Produkt angebrachten lumineszenten Markern und gegebenenfalls durch Bestimmung einer weiteren Kenngröße der Lumineszenz des einen oderer mehreren lumineszenten Markern erfolgt.1. A method for the luminescence-optical authentication of products, characterized in that the authentication takes place by determining the decay time of the luminescence of one or more luminescent markers attached to or in the product and optionally by determining a further parameter of the luminescence of the one or more luminescent markers ,
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend die folgenden Schritte: * Anbringung zumindest eines lumineszenten Markers auf oder in dem zu markierenden Produkt, * Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz zumindest eines Markers, * Zuordnung des Produktes an Hand zumindest einer gemessenen Abklingzeit.2. The method according to claim 1, comprising the following steps: * applying at least one luminescent marker on or in the product to be marked, * determining the decay time of the luminescence of at least one marker, * assigning the product using at least one measured decay time.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend die folgenden Schritte: * Anbringung zumindest eines lumineszenten Markers auf oder in dem zu markierenden Produkt, * Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz zumindest eines Markers, * Bestimmung des Absorptions- oder des Emissionsmaximums zumindest eines Markers, * Zuordnung des Produktes an Hand zumindest einer Abklingzeit sowie an Hand des Absorptions- bzw. Emissionsmaximums zumindest eines Markers.3. The method according to claim 1 or 2, comprising the following steps: * applying at least one luminescent marker on or in the product to be marked, * determining the decay time of the luminescence of at least one marker, * determining the absorption or emission maximum of at least one marker, * Allocation of the product on the basis of at least one decay time and on the basis of the absorption or emission maximum of at least one marker.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Schritte, umfassend die folgenden Schritte: * Anbringung von zumindest zwei lumineszenten Markern auf oder in dem zu markierenden Produkt, * Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz zumindest eines Markers, * Bestimmung des Verhältnisses der Intensitäten der Lumineszenz von zwei Markern, * Zuordnung des Produktes an Hand einer oder mehrerer Abklingzeiten sowie des Verhältnisses der Intensitäten der zwei von den zwei Markern verursachten Lumineszenzen.4. Method according to one of the preceding steps, comprising the following steps: * applying at least two luminescent markers on or in the product to be marked, * Determination of the decay time of the luminescence of at least one marker, * determination of the ratio of the intensities of the luminescence of two markers, * assignment of the product based on one or more decay times and the ratio of the intensities of the two luminescence caused by the two markers.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte: * Anbringung eines ersten lumineszenten Markers auf oder in dem zu markierenden Produkt, * Anbringung zumindest einer lumineszenten oder nichtlumineszenten Löschersubstanz, die die Abklingzeit des ersten Markers eindeutig beeinflusst, * Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz des Markers und gegebenenfalls des lumineszenten Löschers, * Zuordnung des Produktes an Hand zumindest einer Abklingzeit sowie gegebenenfalls des Verhältnisses der Intensitäten von zwei Lumineszenzen.5. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, comprising the following steps: * application of a first luminescent marker on or in the product to be marked, * application of at least one luminescent or non-luminescent extinguishing substance which clearly influences the decay time of the first marker, * Determination of the decay time of the luminescence of the marker and, if applicable, of the luminescent eraser, * Allocation of the product on the basis of at least one decay time and optionally the ratio of the intensities of two luminescence.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Marker einsetzt, dessen Lumineszenz eine Abklingzeit besitzt, die mindestens um den Faktor 2 länger ist als die der Untergrundlumineszenz.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a marker is used, the luminescence of which has a decay time which is at least 2 times longer than that of the background luminescence.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Bestimmung der Abklingzeit der Lumineszenz ein zeitauflösende Messverfahren einsetzt, das darin besteht, dass man die Lumineszenz mit einem kurzen Lichtpuls anregt wird und die Abklingzeit erst nach einer Verzögerungsphase von mindestens 0.5 ns ermittelt. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a time-resolving measuring method is used to determine the decay time of the luminescence, which consists in that the luminescence is excited with a short light pulse and the decay time only after a delay phase of at least 0.5 ns determined.
8. Lumineszierende Stoffe, die zur Authentikation von Produkten nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet sind und die in reiner Form, in einer Flüssigkeit oder in einem Polymer gelöst auf oder in das zu authentizierende Produkt oder dessen Verpackungsmaterial eingebracht und in dieser Form zur Authentikation der genannten Produkte nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können.8. Luminescent substances which are suitable for authenticating products according to one of claims 1 to 7 and which are introduced in pure form, in a liquid or in a polymer onto or into the product to be authenticated or its packaging material and in this form for authentication of the products mentioned can be used by one of the methods according to the invention.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abklingzeit des einen oder der mehreren lumineszenten Marker gezielt verändert wird.9. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the decay time of the one or more luminescent markers is specifically changed.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abklingzeit durch Zusatz von weiteren Farbstoffen und/oder durch Zusatz von Löschern verändert wird.10. The method according to claim 9, wherein the decay time is changed by adding further dyes and / or by adding extinguishers.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 9 bis 10, wobei man zusätzlich zur Abklingzeit auch das Absorptions- und/oder Emissionsmaximum des lumineszenten Markers bestimmt. 11. The method according to any one of claims 1 to 7 and 9 to 10, wherein in addition to the decay time, the absorption and / or emission maximum of the luminescent marker is determined.
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